Synthèse de Tungstate de Sodium et de Microcapsules de Molybdate de Sodium par l’excrétion de minéraux bactérienne

Cet ouvrage présente un protocole pour la fabrication de sodium et tungstate de microcapsules de molybdate sodique par bactéries et leurs correspondants des nanoparticules.

Nous présentons une méthode, l’excrétion de minéraux bactérienne (BME), pour la synthèse de deux sortes de microcapsules, tungstate de sodium molybdate de sodium et nanoparticules correspondantes des deux oxydes métalliques — le premier étant aussi petit que 22 nm et le dernier 15 nm. Nous avons nourri les deux souches de bactéries, algues Shewanella et Pandoraea SP., avec différentes concentrations d’ions tungstate ou de molybdate. Les concentrations de molybdate et de tungstate d’ont été ajustées pour faire des microcapsules de différents rapports de longueur diamètre. Nous avons constaté que plus la concentration étaient plus de nanoparticules. Les nanoparticules est arrivé avec trois rapports de longueur diamètre : 10:1, 3:1 et 1:1, qui ont été atteints en nourrissant les bactéries respectivement avec une faible concentration, une concentration moyenne et une forte concentration. Les images de microcapsules creux ont été prises par les microsphères d’électrons balayage (SEM). Leurs structures cristallines ont été vérifiés par diffraction des rayons x (DRX) — la structure cristalline du molybdate microcapsules est Na₂MoO₄ et voilà des microcapsules tungstate Na₂WO₄ avec Na₂₂O₇. Ces synthèses toutes ont été réalisées à une température ambiante proche.

Nanoparticules d’oxyde métallique peuvent être exploitées pour drogue livraison¹, construction artificielle OS², catalyse hétérogène,³, émission de champ^4,5, cellules solaires⁶, capteurs de gaz⁷, et au lithium piles⁸. Pour des applications pratiques, la résistance mécanique des nanocristaux tant leur microstructure sont cruciales. Parmi les microstructures, structures de coquille vide peuvent servir à créer des matériaux légers, mécaniquement robuste⁹. Parmi les structures de coquille vide, une forme sphérique est connue pour être plus rigide qu’une forme ellipsoïdale ; ce dernier a un rapport longueur-diamètre plus élevé que l' ancien^10,11. Cet ouvrage décrit un protocole pour la synthèse des microcapsules sphériques par l’intermédiaire de bactéries avec une méthode non toxique à une température ambiante, ce qui contraste avec les autres méthodes, y compris le modèle synthèse méthode¹², ultrasons-spray-synthèse assistée par méthode¹³ et méthode hydrothermale¹⁴. Certaines des méthodes alternatives nécessitent modèles¹², certains une température aussi élevée que 500 ° C¹³et some haute pression¹⁴. En ce qui concerne la structure résultante, la méthode de synthèse de modèle utilisant le modèle de levure apporte une structure de noyau-enveloppe¹⁵, au lieu d’une avec un mur unique, et celle utilisant le modèle d’e. coli produit une structure avec rapport longueur-diamètre de 1.7:0.8 et n’est pas sphérique. ¹⁶.

Dans ce travail, nous avons fait des microcapsules d’oxyde métallique avec une simple paroi et de forme sphérique à une température ambiante en exploitant le métabolisme bactérien. La glycolyse bactérienne, un procédé chimique qui métabolise les sources de carbone, comme le glucose et au lactose, sources de carbone sont censées être à l’origine de réduire l’électricité qui y est. Nous avons manipulé le métabolisme bactérien en ajustant la concentration des sources de carbone pour atteindre les buts recherchés. Cette méthode est respectueux de l’environnement, en utilisant des agents non toxique et consommant beaucoup moins d’énergie électrique. Enfin, cette méthode permet la production de microcapsules simplement en augmentant le volume de bouillon.

Avant la méthode, il y a eu un autre deux méthodes utilisant le métabolisme bactérien pour rendre les minéraux : biologiquement induite par minéralisation (BIM)¹⁷ et¹⁸de la minéralisation biologiquement contrôlées (BCM). BIM ni BCM peut être utilisé pour la fabrication de sodium tungstate et molybdate de microcapsules de tungstate comme notre processus, qui est désigné comme l' excrétion de minéraux bactérienne (BME)¹⁹. Dans cette expérience, la forme de microcapsules peut être contrôlée pour avoir un ratio de longueur diamètre de 10:1 à 1:1, et des grains de la taille des nanoparticules qui forment les coquilles peuvent être ajustées allant de 15 nm à 110 nm.

ATTENTION : Utilisez des gants en latex, lunettes de protection et un manteau de laboratoire permettant d’effectuer l’expérience. N’importe quand par le cabinet de prévention des risques biotechnologiques, allumez le ventilateur armoire et garder la porte de l’armoire mi-clos.

1. préparation des perles de verre

1. Placez 100 perles de verre de 3 mm de diamètre dans un flacon de 100 mL laboratoire et puis couronner étroitement.
2. Stériliser le contenu à 120 ° C pendant 10 min.
3. Laisser la bouteille pour refroidir à température ambiante, puis placez-le dans la prévention des risques biotechnologiques du cabinet.

2. préparation du bouillon de lysogénie (LB)

1. Dissoudre 8 g de poudre de bouillon LB-Lennox dans une bouteille de 500 mL laboratoire avec 400 mL d’eau.
2. Mélanger le contenu avec un barreau d’agitateur magnétique PTFE pendant 20 min et puis couronner étroitement.
3. Stériliser le contenu à 120 ° C pendant 10 min.
4. Laisser la solution pour refroidir à la température ambiante et placez-le dans la prévention des risques biotechnologiques du cabinet.
5. Aide d’une pipette, aliquote le bouillon dans huit tubes à centrifuger de 15 mL dans la prévention des risques biotechnologiques armoire (12,5 mL chacune).
6. Aliquoter le bouillon restant dans trois bouteilles de 100 mL laboratoire dans la biosécurité du cabinet (de 100 mL chacun). Plafonner les trois bouteilles hermétiquement. Gardez-les dans la prévention des risques biotechnologiques du cabinet.

3. la culture d’algues Shewanella

1. Utiliser la souche cryoconservée surgelée.
2. Dans la prévention des risques biotechnologiques du cabinet, choisir 1 mL du matériau gelé du tube congelé avec une spatule en acier inoxydable et placez-le dans un tube à centrifuger préparé à l’étape 3.5.
3. Incuber les cultures pendant 24 h dans un incubateur à 37 ° C.

4. préparation des boîtes de Pétri LB-Lennox (bouillon avec Agar)

1. Dissoudre deux comprimés de LB-Lennox (bouillon avec agar) dans un flacon de 100 mL laboratoire avec 100 mL d’eau.
2. Mélanger le contenu avec un barreau d’agitateur magnétique PTFE pendant 20 min et puis couronner étroitement.
3. Stériliser le contenu à 120 ° C pendant 10 min.
4. Dans la prévention des risques biotechnologiques armoire, aliquote de main 100 mL de solution dans 4 boîtes de Pétri, chacun assurant recevoir environ 25 mL. Laisser la solution refroidir à température ambiante.

5. préparation de bactéries monoclonales

1. Dans la prévention des risques biotechnologiques du cabinet, identifiez les trois bouteilles préparées à l’étape 2.6, #1, #2 et #3, respectivement.
2. Pipetter 0,1 mL de la suspension bactérienne obtenue à l’étape 3.3 dans la bouteille #1. Boucher la bouteille et faites-la pivoter à la main pendant 1 min obtenir une solution homogène.
3. Pipetter 0,1 mL du liquide bactérien qui en résulte dans l’étape 5.2 dans la bouteille #2. Boucher la bouteille et faites-la pivoter à la main pendant 1 min obtenir une solution homogène.
4. Pipetter 0,1 mL du liquide bactérien qui en résulte dans l’étape 5.3 dans la bouteille #3. Boucher le flacon et agiter à la main pendant 1 min obtenir une solution homogène.
5. Distribuer le liquide en bouteille #3 dans les 4 boîtes de Pétri, préparé à l’étape 4.4, à l’aide d’un volume de 0,02 mL chacun.
6. Mettre les perles de verre préparés à l’étape 1.3 dans les 4 boîtes de Pétri utilisé, 4 perles dans chaque plat.
7. Fermer les couvercles des plats Petri et les secouer à la main pendant 1 min.
8. Renversez les boîtes de Pétri et incuber dans un incubateur à 37 ° C pendant 24 h.

6. la multiplication des bactéries monoclonales

1. Aller chercher 7 tubes préparées à l’étape 2.5.
2. Choisir les bactéries monoclonales résultants de la 4 boîtes de Pétri préparées à l’étape 5.8 avec une spatule en acier inoxydable-et mettez-les dans des 7 tubes séparément.
3. Laisser les 7 tubes dans un incubateur à 37 ° C pendant 24 h.
4. Choisir celui avec la plus grande diffusion de la lumière à l’aide de la méthode colorimétrique visuelle.

7. préparation du bouillon LB-Lennox avec le Glucose et sel

1. Mettre 10 g de bouillon LB-Lennox, 10 g de NaCl et 10 g de glucose dans un flacon de 500 mL laboratoire. Ajouter de l’eau jusqu'à ce que le volume s’élève à 450 mL.
2. Mélanger le contenu avec un barreau d’agitateur magnétique PTFE pendant 20 min.
3. Stériliser le contenu à 120 ° C pendant 10 min.

8. préparation de Tungstate de Sodium

1. Mettre 16,5 g Na de Tungstate de Sodium₂WO₄.2H₂O dans un flacon de 100 mL laboratoire avec une spatule en acier inoxydable. Ajouter de l’eau jusqu'à ce que le volume s’élève à 50 mL.
2. Mélanger le contenu avec un barreau d’agitateur magnétique PTFE pendant 20 min.
3. Stériliser le contenu à 120 ° C pendant 10 min.
4. Dans la prévention des risques biotechnologiques armoire, téléchargez le filtrat via un filtre en fibre de verre sous vide avec des pores de 1 µm.

9. préparation de la LB avec le Glucose, le sel et Tungstate de Sodium

1. Dans la prévention des risques biotechnologiques armoire, versez le filtrat acquit en étape 8,4 à la main sur la solution de glucose et de sel préparé à l’étape 7.3.
2. Dans le cabinet de prévention des risques biotechnologiques, aliquot avec une pipette de la solution résultante de 500 mL à l’étape 9.1 dans des tubes à centrifuger 10 x 50 mL.

10. la culture des bactéries

1. Dans la prévention des risques biotechnologiques armoire, aller chercher le liquide préparé à l’étape 6,4 et aliquote il avec une pipette dans les 10 tubes à essai préparés à l’étape 9.2, avec chaque tube recevant 0,05 mL.
2. Incuber les 10 tubes dans un incubateur à 37 ° C pendant 120 h.

11. la récolte de minéraux BME

1. Ultrasonicate chacun des 10 tubes à l’étape 9.2 à 20kHz avec 150 W pendant 1 h.
2. Centrifuger les tubes à 2 025 x g pendant 1 h.
3. Retirer le liquide clair dans les tubes avec une pipette, ajouter de l’eau et puis répétez les étapes 11.1 et 11.2 une fois de plus.
4. Retirer le liquide clair dans les tubes avec une pipette, ajouter l’alcool et puis ultrasonicate eux à 20kHz avec 150 W pendant 1 h.
5. Centrifuger les tubes à 2 025 x g pendant 1 h.
6. Répétez les étapes 11.4 et 11.5 une fois de plus
7. Récolter des minéraux BME en retirant le liquide clair dans les tubes avec une pipette. par la suite, immédiatement cap les tubes sans exécuter n’importe quel processus de séchage.

12. oscillant température avec Pandoraea SP. et Molybdate

1. Culture Pandoraea SP. , de la même manière tout comme aux étapes 2, 3, 4, 5 et 6 pour les algues de Shewanella. Le résultat de cette étape correspond à celle de l’étape 6.4.
2. Faire un bouillon LB avec glucose et sel de la même manière tout comme aux étapes 7, 8 et 9, sauf que le 16,5 g de tungstate de sodium dans l’étape 7.1 est remplacé avec 12 g de molybdate de sodium, Na₂MoO₄ · 2H₂O. Le résultat de cette étape correspond à celle de l’étape 9.2.
3. Dans la prévention des risques biotechnologiques armoire, extraction liquide préparé en étape 12.1 et aliquote avec une pipette dans les 10 tubes préparées à l’étape 12.2, avec chaque tube récepteur 0,05 mL.
4. Incuber les 10 tubes à l’étape 12.3 sous des températures oscillants pour 120 h dans une réciproque secouant bain, oscillant de la température 5 fois entre 25 ° C et 37 ° C, avec chacune des températures d’une durée de 12 h.

La figure 1 montre la véritables microcapsules sphériques. Les deux les deux souches de la bactérie, Shewanella algues et Pandoraea sp., à l’origine ont un rapport longueur-diamètre de 3:1. Pour atteindre le rapport longueur-diamètre de 1:1, une concentration élevée (> 100 mM) d’oxyanions métalliques est nécessaire. Une faible concentration (< 5 mM) d’oxyanions peut entraîner une longueur au rapport des diamètres de 10:1, en tant que que dans la Figure 2, qui peut provoquer de l’afflux des oxyanions, bloquant la fission binaire des bactéries. Enfin, pour parvenir à un rapport longueur-diamètre de 3:1, comme ça dans la Figure 3, une concentration moyenne (~ 20 mM) des oxyanions est nécessaire. La formation de coquilles sphériques, avec un rapport longueur-diamètre de 1:1, peut être causée par les lecteurs bactériennes qui se faire rétrécir leur surface pour équilibrer l’apport des oxyanions tout en diffusant des oxyanions à travers la membrane cellulaire. Ensemble, les trois chiffres indiquent que le rapport longueur-diamètre peut être réglé à partir de 10:1 à 1:1 simplement en ajustant la concentration des oxyanions.

Figure 4 et Figure 5 montrent la NANOPARTICULE grains de molybdate de sodium en tailles différentes : l’un plus petit étant de 15 nm et la plus grande et un 110 nm. Notez que dans la Figure 5, sur les réservoirs non déchiré, particules de 110 nm peuvent encore être enchaîné entre eux, formant les coquilles poreuses. Plus a été acquise par oscillation de la température du bouillon de culture 5 fois entre 25 ° C et 37 ° C, avec chacune des températures d’une durée de 12 h. Pendant les oscillations de température, grains de différentes tailles peuvent ne pas être produits mais aussi de maintenir la structure micro-sphériques, ce qui signifie que nous pouvons faire des microcapsules avec différentes granulométries, de 15 nm à 110 nm, tout en contrôlant la température du bouillon .

La figure 6 illustre le mur brisé avec des grains plus gros, rester à côté de l’ouverture du mur. L’épaisseur du mur est d’environ 22 nm et le grain plus gros est d’environ 40 à 60 nm. La différence de taille peut résulter de différents processus métaboliques, qui ne sont pas encore identifiés.

Figure 1 : image de la SEM de coquilles sphériques creux avec un rapport longueur-diamètre de 1:1. Cette structure était constituée de tungstate de sodium excrété par Shewanella algae avec du glucose comme source de carbone. Reproduit avec la permission de ECS J. de Solid State Sci. et Tech., 6 (3), N3113 (2017). Copyright 2017, la société électrochimique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : image de la SEM de coquilles creuses long filament avec un rapport longueur-diamètre de 10:1. Cette structure était constituée de molybdate de sodium excrété par SP. Pandoraea avec le glucose comme source de carbone. Reproduit avec la permission de ECS J. de Solid State Sci. et Tech., 6 (3), N3113 (2017). Copyright 2017, la société électrochimique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : image de la SEM de coques brisées de la creuses en forme de bâtonnet avec un rapport longueur-diamètre de 3:1. Cette structure était constituée de tungstate de sodium excrété par Shewanella algae avec du glucose comme source de carbone. Reproduit avec la permission de ECS J. de Solid State Sci. et Tech., 6 (3), N3113 (2017). Copyright 2017, la société électrochimique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : image de la SEM de coquilles de molybdate de sodium brisé avec une taille de particule de grain de 15 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : image de la SEM de coquilles de molybdate de sodium brisé et non déchiré avec une taille de particule de grain de 110 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : image de la SEM des coques creuses brisées avec un rapport longueur-diamètre de 1:1. Cette structure était constituée de tungstate de sodium excrété par Shewanella algae avec du glucose comme source de carbone. Granules avec une taille de 40 à 60 nm pendre à l’extérieur de la coque juste à côté d’un grand trou, tandis que le réservoir lui-même est fait de granules avec une taille d’environ 22 nm. Reproduit avec la permission de ECS J. de Solid State Sci. et Tech., 6 (3), N3113 (2017). Copyright 2017, la société électrochimique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

En ce qui concerne la cohérence des résultats expérimentaux, la préparation et la multiplication des bactéries monoclonales sont essentiels. Cette expérience, différente de la modèle synthèse expériences^15,16, employait des bactéries Gram-négatives bioactifs. Pour obtenir un seul mur, nous avons choisi des bactéries procaryotes au lieu de bactéries eucaryotes comme la levure¹⁵. Pour obtenir une forme sphérique avec un rapport longueur-diamètre de 1:1, au lieu d’un plus grand ratio de longueur diamètre¹⁶, nous avons nourri bactéries avec une concentration beaucoup plus élevée des oxyanions pour les manipuler à rétrécir dans une forme sphérique, rendant les microcapsules avec un mur unique, ronde et fin (< 30 nm).

Le BME repose essentiellement sur l’ajustement de la concentration des oxyanions pour contrôler le métabolisme des bactéries, il contient deux limites. Tout d’abord, la concentration des oxyanions est limitée par la solubilité, bien que la concentration doit être aussi élevée que possible. Deuxièmement, plus bactériennes métabolismes seront arrêtera à une température supérieure à 45 ° C ou moins de 5 ° C, respectivement les limites supérieures et inférieures de notre expérience.

Malgré ces deux limites, le BME a un grand potentiel pour la fabrication de matériaux d’oxyde métallique d’intérêt pratique. Pour étayer cette affirmation, nous allons essayer cette méthode pour faire des microcapsules de zirconium et de microcapsules de fer — le premier étant un bon candidat, matériel pour OS artificiels et le second pour la délivrance de médicaments.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Ce travail est soutenu par le ministère de la Science et de technologie, Taiwan, République de Chine, accorde moins de numéro plus 105-2221-E-011-008, et aussi par avancé-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC sous contrat numéro RD Réf. n ° 6749 et Dept. Réf. no 011 à travers le Diplômé Institut d’Ingénierie électro-optique, National Taiwan University of Science et la technologie.